超聲速流場計算、分析
關注創建者：程林 創建時間：2016-11-25
超聲速流場計算、分析的實例教程
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一、概述
隨著計算科學以及數值分析方法的不斷發展，流固耦合或交互作用 （fluid structure coupling 或 fluid structure interaction）研究從 20 世紀 80 年代以來，受到了世界學術界和工業界的廣泛 關注。流固耦合問題是流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）與固體力學 （Computational Solid Mechanics，CSM）交叉而生成的一門力學分支，同時也是多學科或多物理場研究的一個重要分支，它是研究可變形固體在流場作用下的各種行為以及固體變形對流場影響這二者相互作用的一門科學。了解流固耦合對于許多產品的設計至關重要。如果不考慮流體與固體之間的相互影響，則會導致產品性能被過高或過低估計。
流固耦合一般分為單向耦合與雙向耦合。如果結構變形非常小，并且可以認為結構的變形幾乎不會對流場的各項參數產生影響，或產品本身不允許在流體的作用下發生較大的變形，這種情況下只需要先求解出流體與固體界面上的壓強數據，并將壓強數據傳導到固體的表面進行結構力學計算。然而，如果結構發生大變形，流體的速度和壓力場就會因此發生改變，此時我們需要將其作為雙向耦合問題進行多物理場分析：流體流動和壓力場會影響結構變形，而結構變形又反過來影響流體的流動和壓力。實際工況中選擇進行單向耦合分析還是雙向耦合分析需要根據實際產品及作用工況進行判斷。
本文將執行一個單向流固耦合分析流程，先在Hypermesh前處理器進行流體域的建立和CFD網格劃分，然后導入至Fluent求解器進行流場計算，得到流體與固體界面的壓強信息，隨后將Fluent中計算得到的壓力信息映射至結構網格上，并使用Optistruct求解器進行結構力學分析。
展開 3.SU2求解器簡介
SU2是一個用C ++和Python編寫的開源軟件工具集，通過采用先進的數值方法分析非結構化網格上的偏微分方程（PDE）和PDE約束優化問題。SU2早期主要用于是CFD和氣動外形優化，目前已擴展到處理更一般的方程，如電動力學和化學反應流動。在全球用戶和開發人員的不斷努力下，SU2現已成為計算科學領域的一個成熟工具，廣泛適用于航空、航天、航海、汽車和可再生能源行業。
SU2的主要能力包括：
基于非結構網格的高保真度分析和基于伴隨的設計。
可壓縮和不可壓縮的Euler、NS和 RANS求解器。
用于電動力學、線彈性、熱方程、波動方程和熱化學非平衡的PDE求解器。
加速收斂技術（多網格，預處理等）。
基于連續伴隨方法獲取靈敏度信息。
自適應、面向目標的網格細化和變形。
C ++面向對象模塊化程序設計。
MPI并行化。
用于自動化的Python腳本。
求解器配置文件(cfg)介紹
SU2求解器計算僅需提供兩個文件：后綴為su2的網格文件和后綴為cfg的配置文件。cfg文件包含流場計算所需的網格之外的全部信息。cfg文件一般通過對相關的CASE模板文件作適當修改得到。SU2程序根目錄下的config_template.cfg文件提供了詳細的配置信息。下面以馬赫數為0.84、攻角為3.06°、湍流模型為SST的計算工況為例，簡要介紹cfg文件如何編寫。
展開 本文充分考慮了離心壓縮機設計過程中的多個影響因素，建立離心壓縮機整級全流道流體動力學分析模型，包括密封間隙和輪盤輪蓋兩側間隙內的流場區域，計算分析離心壓縮機內部一次流及二次流流場分布。通過該模型，分析二次流對一次流的干擾作用，并且根據葉輪兩側間隙內的流場，分析間隙內的壓力分布，更準確的計算葉輪的氣動推力。本文成果可為改進離心壓縮機設計和優化壓縮機性能，提高運行效率及穩定性提供技術基礎。
[關鍵詞]離心壓縮機 整級 數值模擬 二次流
1 引言
隨著計算機及數值計算技術的發展，計算流體動力學（CFD）已經廣泛應用于葉輪機械的研發過程中。數值模擬的方法將理論分析與試驗研究聯系在一起，以其獨特的優勢逐漸成為研究壓縮機內部流體流動的重要手段。
目前國內很多離心壓縮機制造和研究單位都運用了 CFD 技術，建立了離心壓縮機內部流場模型 [1,2]，甚至有學者采用 CFD 技術對多級離心壓縮機的內部流動進行了數值模擬 [3]。朱明正 [4]采用 CFD 技術設計葉輪葉片形狀，通過對葉輪流道的計算分析優化葉形的設計。陳宗華 [5]運用 CFD 技術對離心式壓縮機徑向進氣室的結構形狀進行了優化設計。王維民 [6]在壓縮機軸向推力研究中，建立了葉輪間隙和迷宮密封的整體模型，考慮了葉輪兩側密封對軸向推力的影響。也有學者對用于離心壓縮機的多種密封形式進行了對比研究，分析不同密封形式對轉子的動力學特性的影響,但是以上分析的流場的入口邊界條件往往只是假設，尤其是流體的入口周向速度無法準確確定，限制了分析的精確性。
在以往的研究中，分析模型往往都忽略了葉輪兩側的間隙和密封部位，焦點集中在主流道內流場的分布以提高機器的效率。但是近年來，由于二次流對轉子的激勵作用導致的軸向推力過大，或氣流激振導致的轉子失穩，嚴重制約了壓縮機向高端化發展的進程 [7]。
展開 用計算流體動力
學-離散元法分析
軸流泵的流場和溶
血指標
1.背景介紹
血泵作為拯救生命的重要輔助裝置，已成為眾多學者研究的重點。計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics,CFD）模擬是優化血泵性能的有效手段，其模擬結果在實踐中得到了反復驗證。然而，在固相紅細胞粒子破碎損傷的區域，紅細胞粒子在不同時間和地點的運動、碰撞等動力學特征，僅靠CFD技術不可能實現技術突破。離散元法（Discrete Element Method，DEM）通過建立固體粒子系統的參數模型來分析和模擬粒子行為。本研究的目的是利用CFD-DEM多相流耦合技術，將DEM應用于血細胞粒子碰撞特性和運動分析，并結合血泵內流場的經典CFD分析方法，通過血液動力學特性與血液流變學的耦合，為溶血模型的建立提供支持。
2.方法方案
本文研究的血泵模型如圖1所示。該模型內徑16mm，總長為81mm，主要由三部分組成：前葉片，葉輪，和后葉片。在葉片的頂部與外殼之間有0.1mm的間隙。
由于葉輪高速旋轉，為了提高計算結果的準確性，將內部流場分為三部分：先導流場、葉輪流場和后方流場。這三部分均采用了非結構化的四面體網格，總網格數為12,549,766。壓力出口用作邊界條件。
展開 4.結果分析
4.1 CASE 6
圖 3 RAE2822翼型壓力分布SA和SST計算結果對比(CASE 6)
圖 4 RAE2822翼型表面壓力分布矢量(CASE 6)
圖3展示了SU2求解器分別采用SA模型和SST模型計算的RAE2822翼型表面壓力分布（Ma=0.729 AoA=2.31° Rec=6.5×106）。可以看到，SA、SST模型計算的壓力分布與試驗結果十分吻合。此外，兩種模型的計算結果差異很小，僅在激波附近有較小差別。結果表明兩種湍流模型都能較好地模擬RAE2822翼型跨聲速流場。
4.2 CASE 9
圖 5 RAE2822翼型壓力分布SA和SST計算結果對比(CASE 9)
圖 6 RAE2822翼型表面壓力分布矢量(CASE 9)
圖 7 RAE2822翼型表面壓力分布矢量(CASE 6和CASE 9)
CASE9（Ma=0.734 AoA=2.79°Rec=6.5×106）和CASE6（Ma=0.729 AoA=2.31° Rec=6.5×106）流場參數變化很小，流場特征也無明顯變化。從模擬結果看，SU2求解器對于CASE 9的計算結果與試驗也符合較好。
6.結論
（1）采用SU2求解器計算了RAE2822翼型CASE6 和CASE9流場，兩個case的計算結果與試驗結果均符合較好。
（2）SA和SST湍流模型計算結果差異較小，兩者都能較好地模擬RAE2822翼型跨聲速流場。
本文轉自知乎專欄：SU2：學習與應用，原帖地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/61281032，感謝原作者，對作者其他文章感興趣，歡迎關注：
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血指標
1.背景介紹
血泵作為拯救生命的重要輔助裝置，已成為眾多學者研究的重點。
跨聲速條件下，RAE2822翼型上表面易形成激波，在激波和湍流邊界層的相互作用下有可能引起流動分離。為了獲得RAE2822翼型的流動特性，研究人員在RAE 2.43 m×1.83 m連續式跨聲速風洞中開展了一系列試驗。測試馬赫數范圍0.6-0.75，獲得了翼型表面靜壓分布、邊界層和尾跡總壓分布以及表面油流圖譜等試驗數據。本文以RAE2822翼型CASE6和CASE9為測試算例，檢驗SU2對于跨聲速翼型流場的模擬能力
1.模型介紹
DLR-F6翼身組合體是DLR開發的一款現代運輸機典型巡航構型。該模型是第二屆和第三屆AIAA阻力預測研討會所采用的標準算例之一。DLR-F6外形由機身、機翼和發動機短艙構成。該飛機的設計馬赫數為0.75，升力系數0.50。針對帶短艙和不帶短艙的兩種構型，研究人員分別開展了風洞試驗，獲得了包括升阻力特性曲線、表面壓力分布和油流圖譜等試驗結果。本文以DLR-F6構型為測試算例，檢驗
1. M6機翼
M6是ONERA設計的一種機翼模型。該模型在跨聲速條件下進行了一系列風洞試驗。試驗馬赫數在 0.7-0.92之間，攻角區間為度，雷諾數Re(參考長度為平均氣動弦長c)約為。盡管M6機翼幾何外形簡單，但是其涉及的跨聲速流動卻十分復雜，包含局部超音速流動、激波和邊界層分離等。M6機翼具備三維可壓縮流動的典型特征，因此被大量論文選為CFD代碼的驗證算例。本文以M6為測試算例，檢驗
[ 摘要] 離心式壓縮機是壓縮和輸送能源和化工生產中各種氣體的關鍵設備，在整套裝置中占有極其重要的地位。近年來，葉輪兩側間隙內流體流動對轉子的激勵作用成為影響壓縮機性能進一步提升的重要因素。本文充分考慮了離心壓縮機設計過程中的多個影響因素，建立離心壓縮機整級全流道流體動力學分析模型，包括密封間隙和輪盤輪蓋兩側間隙內的流場區域，計算分析離心壓縮機內部一次流及二次流流場分布。通過該模型，分析二次流對一次流的干擾作用
